核医学仪器.docx

1、核医学仪器第二章 核医学仪器核医学仪器是指在医学顶用于探测和记录放射性核素放出射线的种类、能量、活度、随时间变化的规律和空间散布等一大类仪器设施的统称， 它是展开核医学工作的必备因素， 也是核医学发展的重要标记。 依据使用目的不同， 核医学常用仪器可分为脏器显像仪器、 功能测定仪器、 体外样本丈量仪器以及辐射防备仪器等，此中以显像仪器最为复杂， 发展最为快速， 在临床核医学中应用也最为宽泛。核医学显像仪器经历了从扫描机到 照相机、单光子发射型计算机断层仪（ single photon emission computed tomography ，SPECT）、正电子发射型计算机断层仪（ posi

2、tron emission computed tomography，PET）、PET/CT、SPECT/CT及 PET/MR的发展历程。 1948 年 Hofstadter 开发了用于 闪耀丈量的碘化钠晶体；1951 年美国加州大学 Cassen 成功研制第一台闪耀扫描机，并获取了第一幅人的甲状腺扫描图，确立了影像核医学的基础。 1957 年 Hal Anger 研制出第一台 照相机，实现了核医学显像检查的一次成像，也使得核医学静态显像进入动向显像成为可能，是核医学显像技术的一次飞腾性发展。1975 年 M. M.Ter-Pogossian 等成功研制出第一台 PET，1976 年 John

3、Keyes 和 Ronald Jaszezak分别成功研制第一台通用型 SPECT和第一台头部专用型 SPECT，实现了核素断层显像。 PET因为价钱昂贵等原由，直到 20 世纪 90 年月才宽泛应用于临床。近十几年来，跟着 PET/CT的渐渐普及，实现了功能影像与解剖影像的同机交融，使正电子显像技术迅猛发展。同时， SPECT/CT及 PET/MR的临床应用，也极大地推动了核医学显像技术的进展。第一节 核射线探测仪器的基根源理一、核射线探测的基根源理核射线探测仪器主要由射线探测器和电子学线路构成。 射线探测器实质上是一种能量变换装置， 可将射线能变换为能够记录的电脉冲信号； 电子学线路是记录

4、和剖析这些电脉冲信号的电子学仪器。 射线探测的原理是鉴于射线与物质的相互作用产生的各样效应，主要有以下三种。1电离作用 射线能惹起物质电离，产生相应的电信号，电信号的强度与射线的种类、能量及射线的量存在必定关系， 记录并剖析这些电信号即可得悉射线的种类及放射性活度。如，电离室（ionization chamber）、盖革计数器（ Geiger- Mller counter）等。2荧光现象 带电粒子能使闪耀物质发出荧光。 光子在闪耀体中经过产生光电子、康普顿电子和电子对激发闪耀物质发出荧光。 荧光光子经过光电倍增管变换为电信号并被放大，由后续的电子学单元剖析、记录下来。如，闪耀计数器等。3感光作

5、用 射线可使感光资猜中的卤化银形成潜影， 在进行显影办理时，将潜影中的感光银离子复原为黑色的金属银颗粒， 感光资料形成黑色颗粒的数目与射线的量成正比。 依据感光资料产生黑影的灰度及地点判断放射性存在的量及部位。如，放射自显影等。二、核射线探测器的种类核射线探测仪器依据探测原理主要分为闪耀型探测器（ scintillationdetector）、电离型探测器（ionization detector）、半导体探测器和感光资料探测器。闪耀型探测器主要用于核医学显像仪器、功能测定仪器，体外、 射线丈量仪器等；电离型探测器主要用于测定放射源活度和辐射防备仪器。（一）闪耀型探测器闪耀型探测器是利用射线使荧

6、光物质分子激发，激发态（ excited state ）的荧光物质分子答复到基态（ ground state ）时发射荧光光子的原理设计的探测器。闪耀型探测器由闪耀体、光导、光电倍增管等构成。是核医学仪器中应用最宽泛的探测器。1闪耀体（ scintillator ） 闪耀体汲取射线能量后，闪耀体内的分子或原子被激发，并在答复到基态时发射荧光光子。 闪耀体依照形态又分为固体闪耀探测器和液体闪耀探测器，此中晶体闪耀探测器（ crystal scintillation detector ）是核医学仪器最常用的固体闪耀探测器。 液体闪耀探测器主要用于低能射线、低能 射线及契伦科夫效应等丈量，称为液体闪

7、耀丈量。晶体闪耀探测器的资料选择， 单光子探测多项选择用碘化钠晶体 （ NaI），在碘化钠晶体内按 0.1%0.4%分子比加入铊（ Tl ）能够增添能量变换效率，提升探测效率。所以，碘化钠晶体往常表示为 NaI（ Tl ）。碘化钠晶体透明度高、对射线汲取性能好、探测效率高，对核医学单光子显像最常用的核素 99mTc 的 射线的探测效率可达到 70%90%。正电子探测采纳锗酸铋（ bismuth germanium oxide ，BGO）晶体，硅酸镥（ lutetium oxyorthosilicate ，LSO）晶体及硅酸钇镥（ lutetium yttriumorthosilicate ，L

8、YSO）晶体等。2光导（ lightguide ） 光导主要有硅油和有机玻璃两种，填补于晶体闪烁探测器与光电倍增管之间， 减少空气对荧光光子的全反射， 提升荧光光子进入光电倍增管的效率。3光电倍增管（ photomultiplier tube ， PMT） 是一种能量变换装置，可将轻微的光信号变换成电流脉冲（图 2-1 ）。闪耀体发射的荧光光子经光学窗进入光电倍增管，在岁月极上打出光电子，离岁月极不远处的第一倍增极上加有200 400V 的正电压，光电子被它吸引和加快，高速光电子撞在倍增极上会产生多个二次电子；二次电子又被加有更高电压（ +50 +150V ）的第二倍增极吸引和加快，并在它上边

9、撞出更多二次电子，而后第三倍增极使电子进一步倍增。经过 9 12 个倍增极的连续倍增，二次电子簇流最后被阳极采集起来形成电流脉冲，每个倍增极的倍增因子一般为 3 6 ，总倍增因子能够达到 105 10 8。从阳极上获取的电子簇流与进入光电倍增管的闪光强度成正比， 因此也与入射闪耀晶体的 光子的能量成正比，所以闪耀探测器是一种能量敏捷探测器。外界磁场能影响在倍增极之间飞翔的二次电子的运动轨迹进而使倍增因子发生变化， 因此在光电倍增管外面往常包裹着高导磁系数资料制造的磁障蔽层以降低外界磁场的影响。图 2-1 光电倍增 管工作原理跟着科学技术的飞快发展， 光电倍增管也出现了崭新设计， 经过将低功耗数

10、字电路集成到硅光电倍增管芯片， 这类硅光电倍增管能够将探测到的光子直接转换成可经过芯片计数的超高速数字脉冲。 硅光电倍增管能够实现更快、 更正确的光子计数，以及更好的时间分辨率， 对于改良核医学影像仪器的性能拥有重要意义。（二）电离型探测器电离型探测器是利用射线能负气体分子电离的原理设计的探测器， 常采纳玻璃、塑料或石墨等资料构成一个充满惰性气体的密闭的圆柱形管， 管子的中央有一个金属丝为阳极（ anode）与电源的阳极相连，管壁内衬一层薄金属为阴极（cathode ）与电源阴极相连。电离型探测器的工作原理是：射线负气体分子电离，在电场作用下，带正电荷的离子向阴极挪动，带负电荷的离子朝阳极挪动

11、，在电路中便可产生一次电压变化， 形成一个电脉冲。 电脉冲的数目及电信号的强弱与射线的数目及能量呈必定关系。 电离型探测器主要有电离室、 盖革计数器及正比计数器（ proportional counter ）等种类。（三）半导体探测器半导体探测器是 20 世纪 60 年月开始发展起来的探测器， 主要采纳半导体材料，如硅、锗等。探测原理是晶体内部产生电子和空穴对，产生的电子和空穴对的数目和入射光子的能量成正比。 带负电的电子和带正电的空穴分别向正负电极挪动，形成的电脉冲，其强度与入射光子的能量成正比。当前，外国新研制出半导体探测器为碲锌镉（ Cadmium-Zinc-Telluride ，CZT

12、）探测器。 CZT 探测器探测效率高，与传统的碘化钠闪耀体探测器对比， 拥有更高的能量分辨率。 在常温下，CZT半导体探测器能够直接将 射线转变为电信号。 当前， CZT探测器已经用于心脏专用型 SPECT、乳腺专用 照相机、小动物 PET、小动物 SPECT等核医学仪器。（四）感光资料探测器利用射线可使感光资料感光的原理探测射线， 依据感光资料产生黑影的灰度及地点判断射线的量及部位。主要用于实验核医学的放射自显影。三、核探测器的电子学线路核探测器输出的电脉冲一定经过一系列电子学单元线路办理才能被记录和显示。最基本的电子学线路有放大器、脉冲高度剖析器、计数定量、记录、显示及供电线路等。（一）放

13、大器放大器包含前置放大器（ preamplifier ）和主放大器（ main amplifier ）两部分。由探测器输出的电脉冲信号很微小， 并且形状也多不规整， 需要放大整形后才能被有效的记录和显示。 放大器就是对电脉冲入行放大、 整形、倒相的电子学线路。（二）脉冲高度剖析器脉冲高度剖析器的基本电路是甄别器 （discriminator ），其作用是将幅度超出必定阈值的输入脉冲转变为标准的数字脉冲输出，而把幅度小于阈值的脉冲“甄别”掉，这个阈值就称为甄别阈（ discriminator threshold ），甄别阈的电位是连续可调的。 仪器的暗电流及本底计数也可产生脉冲信号， 但其高度显

14、然低于射线所产的脉冲信号， 所以设置适合的阈值可减少本底对丈量的影响。 甄别器的丈量方式为积分丈量。实践中常将两个或多个甄别器联合使用， 此中最简单、最常用的是单道脉冲高度剖析器（ single channel PHA ）（图 2-2 ），它由上、下两路甄别器和一个反切合电路（ anti-coincidence circuit ）构成。假如下限甄别器的阈电压为 V，上限甄别器的阈电压为 V+?V，只有当输入脉冲的高度大于 V 同时小于 V+?V时，才能触发反切合线路而输出， 不切合这一条件者， 就不可以触发切合线路而不可以输出。这类丈量方式称为微分丈量。假如将下限阈值 V 与上限阈值 V+?V

15、之间形成的阈值差 ?V当作一个通道，上下两路甄别阈的差值称为道宽（ channel width ），也称为能量窗宽。依据待测放射性核素射线的能量调理脉冲高度剖析器的高度和“道宽”或“窗宽” ，选择性地记录目标脉冲信号，清除本底及其余扰乱，可提高探测效率，脉冲高度剖析器也能够用于丈量射线的能谱。图冲2-2 单道脉高度剖析器工作原理核射线探测仪器是由上述核射线探测器和电子学线路构成（图2-3 ）。图测2-3 放射性量仪器的组成表示图第二节 照相机照相机（ camera）于 1957 年由 Hal Anger 研制成功，所以也称为 Anger 型 照相机。 照相机能够显示放射性药物在机体内的散布及代

16、谢状况，获取放射性药物在特定脏器或组织内的转运和散布信息， 以二维图像的方式反应特定脏器或组织功能及代谢变化。 照相机主要由准直器（ collimator ）、闪耀晶体、光电倍增管（ PMT ）、前置放大器、放大器、 X-Y 地点电路、总和电路、脉冲高度剖析器（PHA）及显示或记录器件等构成（图2-4）。图2-4 照相机表示图一、准直器准直器位于探头的最前面， 介于闪耀晶体与患者之间， 主要由铅或钨合金等重金属制成，此中贯串有为数不等、种类不同的孔。准直器只同意特定方向 光子和晶体发生作用， 障蔽限制散射光子， 以保证 照相机的分辨率和信号定位的正确性。准直器的性能在很大程度上决定了探头的性能

17、。 准直器的主要参数包含孔数、孔径、孔长（或称孔深）及孔间壁厚度，这些参数决定了准直器的空间分辨率、敏捷度和合用能量范围等性能。1准直器的空间分辨率 空间分辨率表示对两个周边点源加以分辨的能力，往常以准直器一个孔的线源响应曲线的半峰值全宽度（ Full Width at HalfMaximum ，FWHM ），简称半高宽，作为分辨率的指标。准直器孔径越小，分辨率越好。准直器越厚，分辨率也越高。2准直器的敏捷度 敏捷度定义为配置该准直器的 照相机探头丈量单位活度（如 1MBq ）的放射性核素的计数率（计数 s）。准直孔越大，敏捷度越高；准直器越厚，敏捷度越低；孔间壁越厚，敏捷度越低。3合用能量范

18、围 主要与孔间壁厚度有关，厚度 0.3mm 左右者合用于低能（ 150keV）射线探测， 1.5mm 左右者合用于中能（ 150 350keV） 射线探测， 2.0mm 左右者合用于高能（ 350keV） 射线探测。4准直器的种类 按几何形状分为针孔型、平行孔型、扩散型和汇聚型四类。按合用的 射线能量分为低能准直器、中能准直器和高能准直器三类。按灵敏度和分辨率分为高敏捷型、 高分辨型和通用型 （兼备敏捷度和分辨率的一类准直器）三类。二、闪耀晶体NaI(Tl) 晶体是当前应用最为宽泛的 照相机闪耀晶体。采纳 NaI(Tl) 晶体探测 射线，主假如因为碘拥有高密度 （ 3.67g/cm3）及高原子

19、序数（Z=53），NaI(Tl)晶体与 射线作用发生光电效应的效率凑近 100%。可是该晶体吸湿性较强，吸收水后晶体变黄， 致使穿透进入 PMT 的光子减少， 所以往常将 NaI(Tl) 晶体密封在铝容器中。晶体的入射面和周边涂有反射物质 （氧化镁），将光子反射到 PMT 的岁月极。 NaI(Tl) 晶体简单破裂，使用中一定当心。搁置 NaI(Tl) 晶体的房间温度一定恒定（每小时变化在 3），温度的急巨变化会致使晶体碎裂。晶体厚度对射线的探测效率及图像的分辨率有显然影响。 增添晶体厚度可增添射线被完整汲取的概率， 可提升探测敏捷度， 可是也增添了多次康普顿散射的概率，降低图像的分辨率。 可见

20、探测效率与图像的分辨率是一对矛盾， 在选择闪耀晶体厚度时，要兼备探测效率与图像分辨率。三、光电倍增管光电倍增管的数目与 照相机探头的大小及形状有关， 光电倍增管的形状也不单是圆形，还有正方形、六角形等，这样可减小光电倍增管摆列间的间隔，减少死角。这些光电倍增管平均地摆列在晶体的后边， 紧贴着晶体。 当射线进入晶体，与晶体互相作用产生的信号， 被该部位一个或多个光电倍增管汲取， 转变为电压信号输出。 由这些输出信号的综合和加权， 最后形成显像图。 在显像图中的定位取决于每一个光电倍增管接收到的信号的多少和强弱。 光电倍增管的数目多少与定位的正确性亲密有关。 数目多则探测效率和定位的正确性就高，

21、图像的空间分辨率和敏捷性也高，图像质量就能获取很大的提升。四、 X-Y 地点电路一个 光子在晶体中产生多个闪耀光子， 能够被多个光电倍增管接收， 各个光电倍增管接收的闪耀光子的数目随其离闪耀中心（ 光子处）的距离增添而减少，输出的脉冲幅度也较小。在晶体中发生一个 闪耀事件，就会使摆列有序的光电倍增管阳极端输出众多幅度不等的电脉冲信号。这些信号输入到 X-Y 地点电路，经过权重办理就能够获取这一闪耀事件的地点信号。 光电倍增管数目越多，图像上全部脉冲的 X-Y 地点精度越好，即图像空间分辨率越好。五、脉冲高度剖析器光电倍增管输出的电压脉冲高度与射线的能量成正比， 脉冲高度剖析器就是选择性地记录探

22、测器输出的特定高度电脉冲信号的电子学线路装置， 所以，采纳脉冲高度剖析器能够选择待测射线的能量。 在临床工作中， 可依据所应用的放射性核素发射的射线能量调理脉冲高度剖析器， 设置窗位和窗宽， 选择性地记录特定的脉冲信号， 清除本底及其余扰乱脉冲信号。 在设置能窗时， 窗位中心要瞄准目标射线的能峰，窗宽要基本包含整个光电峰。往常窗宽设置为 20。比如，采纳 99mTc 标记的放射性药物进行显像时， 窗位中心设在 140keV，窗宽设置为 20% 时，窗宽为 154keV 126keV 。六、模 - 数变换器模- 数变换器（ADC ）是将 照相机输出的模拟信号转变为数字信号的装置，转变后的数字信号

23、才能进行电子计算机办理。 常用的 ADC 为 8 位和 16 位，马上一个模拟信号变换为 8 位或 16 位 2 进制数。 ADC 位数影响图像空间分辨率，一幅同样大小的图像，变换位数越多，图像就越精美。一台 相机的 ADC 位数取决于硬件设计。七、乳腺专用 照相机乳腺专用 照相机的探头是采纳两个互成 180的平板探测器构成，包含闪耀晶体探测器和近几年发展起来的 CZT半导体探测器（图 2-5 ），因为设计和99m检查。临床应用结果显示，乳腺专用 照相机对乳腺癌的检出敏捷度与钼靶 X 线机周边，可填补钼靶 X 线成像对高密度乳腺组织内肿瘤检出的不足， 特异性高于钼靶 X 线机。图 2-5乳 腺

24、专用 照相机第三节 SPECT及 SPECT/CTSPECT是 照相机与电子计算机技术相联合发展起来的一种核医学显像仪器，在 照相机平面显像的基础上， 应用电子计算机技术增添了断层显像功能，就好像 X 线摄片发展到 X 线 CT同样，是核医学显像技术的重要进步。 SPECT断层显像战胜了 照相机平面显像对器官、组织重叠造成的小病灶掩饰，提升了对深部病灶的分辨率和定位正确性。 SPECT与 CT及 MRI 影像技术不同，主要显示人体组织器官的功能和代谢变化，对解剖构造及比邻关系显示不如 CT、 MRI。SPECT/CT就是将两个成熟的医学影像学技术 SPECT和 CT 有机地交融在一起，实现了功

25、能代谢图像与解剖构造图像的同机交融，一次显像即可获取 SPECT功能代谢图像， 又能获取 CT解剖构造图像及 SPECT/CT交融图像，实现了两种影像学技术的同机交融，优势互补，为临床供给更多的诊疗信息。同时还可利用 X线 CT扫描数据对 SPECT图像进行衰减校订。一、 SPECTSPECT 由探头（探测器）、机架、检查床和图像采集办理工作站四部分构成，探头是 SPECT 的核心零件，依据临床需要设计探头数目，往常为 13 个，最常用 2 个探头。（一）单探头 SPECT单探头 SPECT只有一个可旋转采集的探头（图 2-6 ），患者显像检查原始数据的采集是由单个探头旋转或平移达成。 构造简

26、单、价钱廉价， 但断层显像及扫描速度慢，患者检查时间长。图 2-6 单探头SPECT（二）双探头 SPECT双探头 SPECT有两个采集探头（图 2-7 ），依据两个探头的相对地点分为固定角和可变角两种。 固定角 90 度是指两个探头相对地点为 90 度，特意为心脏检查设计的机型。 固定角 180 度为探测器位于相对 180 度的地点，主要用于浑身扫描，如浑身骨扫描及 SPECT断层显像等。当前， SPECT多设计为可变角，两个探头可设置成为 180 度、 90 度、 76 度或 102 度成角等不同角度，以知足不同脏器的显像检查。 此外，还有一种双探头 SPECT设计为悬吊式探头， 这类悬吊

27、式设计使得探头摆放和成角更为灵巧。图2-7双探头SPECT（三）三探头 SPECT三探头 SPECT有三个探头构成（图于脑及心脏 SPECT显像检查。图2-8 ），三个探头的相对角度可变。多用2-8 三探头SPECT（四）心脏专用SPECT心脏专用 SPECT的探头是采纳半环状 （180）摆列的 CZT半导体探测器（图2-9 ），进行心肌断层显像时，探头无需旋转，提升了检查速度，可进行动向断层采集及动向门控断层采集，防止了运动伪影，提升了仪器的性能。图 2-9心 脏专用SPECT（五）双探头切合线路断层显像仪双探头切合线路断层显像仪（dual-head tomography with coin

28、cidence，DHTC）拥有两个探头，装备切合探测电路及X 线或 射线的透射衰减校订装置（图2-10 ）。双探头切合线路断层显像仪可达成惯例单光子核素SPECT显像，也能达成正电子核素显像。对于 DHTC探头的 NaI(Tl) 晶体设计一定兼备高能和低能两类核素的有效探测， 晶体太薄将显然降低高能正电子核素的探测效率， 所以DHTC探头的 NaI(Tl) 晶体的厚度多设计为 5/8 或 3/4 英寸，也有设计为 1 英寸。DHTC切合线路显像固然能够达成部分正电子显像 （主假如 18F），可是其分辨率低，采集时间长，并且不可以绝对定量，所以不可以取代 PET使用。双图 2-10探头切合线路断

29、层显像仪利用 SPECT进行高能正电子核素显像的另一种方法， 是将双探头均配置超高能准直器，直接探测 511 keV 超高能 射线。可同时进行高能和低能双核素显像，主要用于检测存活心肌的 18F-FDG和 99mTc-MIBI 或 201Tl 双核素显像。弊端是超高能准直器极为粗笨，探测敏捷度低，图像分辨率低。二、 SPECT/CTSPECT/CT是 SPECT和 CT两种成熟技术相联合形成的一种新的核医学显像仪器（图 2-11 ），实现了 SPECT功能代谢影像与 CT解剖形态学影像的同机交融。一次显像检查可分别获取 SPECT图像、CT图像及 SPECT/CT交融图像，能够采纳X 线 CT

30、图像对 SPECT图像进行衰减校订。SPECT/CT中 SPECT与 CT的联合有两种设计方式， 一种是在 SPECT探头机架上安装一个 X 线球管，对侧安装探测器，也就是 SPECT和 CT位于同一机架；另一种是在SPECT机架后再并排安装一个高档螺旋CT，SPECT与CT位于不同的机架。图2-11SPECT/CT（a：PHILIPS，b：SEIMENS，c：GE）心脏专用 SPECT/CT 是采纳 CZT半导体探测器的心脏专用 SPECT与 64 排螺旋 CT整合的 SPECT/CT（图 2-12 ）。提升了仪器的整体性能，可将 SPECT心肌血流灌输显像信息与高端螺旋 CT解剖形态信息，特别是冠状动脉能否狭小及狭小程度信息相交融， 可从冠状动脉和心肌血流灌输两个层面对心脏进行评论， 为临床供给更全面的诊疗信息。图 2-12 CZT 半导 体探测器的心脏专用SPECT/CT三、 SPECT的图像采集SPECT的图像采集依据临床需要可进行静态采集和动向采集，平面采集和断层采集，局部采集和浑身采集，以及门控采集等。此中